CN114563086B - 基于光开关阵列的光谱测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光开关阵列的光谱测量方法，将一组整形参数各不相同的宽谱整形单元设置为多级结构，多级结构的每一级均包含复数个宽谱整形单元；利用多级光开光阵列从所述多级结构的每一级中同时选通一个宽谱整形单元，使得所选通的多个宽谱整形单元级联组合为一个宽谱整形器件；通过调整多级光开光阵列的选通方式得到一系列输出函数各不相同的宽谱整形器件，并利用这一系列宽谱整形器件对待测光信号分别进行全局采样；根据所得到的一系列全局采样结果重建出待测光谱。本发明还公开了一种基于光开关阵列的光谱测量装置。相比现有技术，本发明无需分光，不引入额外的分光损耗，可大幅提升系统信噪比和测量动态区间。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，尤其涉及一种基于光开关阵列的光谱测量方法及装置。
背景技术
为了检测目标光谱的信息，光谱仪应运而生，它能够恢复出所输入的任意未知光谱。光谱仪广泛应用于通信、材料学、天文学、地理科学、遥感等领域。随着物联网和智能设备的发展，迫切需要能够单次测量即可重建光谱的集成光谱仪，如智能可穿戴设备、便携式医疗设备、无人机遥感等等。现有的集成光谱仪多采用窄带分光式，即利用窄带滤波器或分光光栅将待测光谱不同波长成分提取至不同通道进行单独测量。所需通道数量等于光谱仪带宽和精度的比值。这种方案原理简单，但是为了获得大带宽、高精度势必要提高分光通道数量，导致每个探测器接收到的信号能量下降，影响了系统尺寸和信噪比，因此难以兼顾带宽、精度、尺寸和信噪比。
而计算式光谱仪由于可有效解决上述问题而日益成为研究热点。计算式光谱仪的基本原理如图1所示，其首先将信号均匀分光至M路，随后分别通过M个具有不同传输函数的宽带光谱整形器件对信号进行光谱全局采样，采样结果经过光电转换为电信号再经过特定算法处理后即可重建未知光谱。此类光谱仪的核心在于集成宽带光谱整形器件。在采用高性能宽带光谱整形器件时，所需分光通道数量M（也即宽带光谱整形器件数量）可远远小于光谱仪带宽和精度的比值，因此能够在保持光谱仪大带宽、高精度优点的同时，有效提升光谱仪信噪比、减小系统尺寸。
然而，现有已公开方案仍需将待测光信号均匀分光至多个宽带整形器件中，相当于引入额外的分光损耗，为了追求更高的带宽和精度时也势必需要提高滤波器数量，进一步导致分光损耗提高，系统信噪比下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有计算式光谱测量技术所存在的不足，提供一种基于光开关阵列的光谱测量方法，无需分光，对待测信号不引入额外的分光损耗，可大幅提升系统信噪比和测量动态区间，并降低光谱测量的实现成本。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于光开关阵列的光谱测量方法，将一组整形参数各不相同的宽谱整形单元设置为多级结构，多级结构的每一级均包含复数个所述宽谱整形单元；利用多级光开光阵列从所述多级结构的每一级中同时选通一个宽谱整形单元，使得所选通的多个宽谱整形单元级联组合为一个宽谱整形器件；通过调整多级光开光阵列的选通方式得到一系列输出函数各不相同的宽谱整形器件，并利用这一系列宽谱整形器件对待测光信号分别进行全局采样；根据所得到的一系列全局采样结果重建出待测光谱。
优选地，所述多级结构的级数大于等于4，每一级均包含至少四个所述宽谱整形单元。
优选地，所述宽谱整形单元为n个级联的环形谐振器，n为大于等于1的整数，所述整形参数为环形谐振器的腔长和/或耦合系数。
优选地，所述多级结构和多级光开光阵列均为片上集成部件。
优选地，所述多级结构中各宽谱整形单元的整形参数，是以各宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，通过多目标优化方法优化得到。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种基于光开关阵列的光谱测量装置，包括：
多级结构，由一组整形参数各不相同的宽谱整形单元构成，其每一级均包含复数个所述宽谱整形单元；
多级光开光阵列，与所述多级结构连接，可从所述多级结构的每一级中同时选通一个宽谱整形单元，使得所选通的多个宽谱整形单元级联组合为一个宽谱整形器件；
采样模块，用于通过调整多级光开光阵列的选通方式得到一系列输出函数各不相同的宽谱整形器件，并利用这一系列宽谱整形器件对待测光信号分别进行全局采样；
光谱重建模块，用于根据采样模块所得到的一系列全局采样结果重建出待测光谱。
优选地，所述多级结构的级数大于等于4，每一级均包含至少四个所述宽谱整形单元。
优选地，所述宽谱整形单元为n个级联的环形谐振器，n为大于等于1的整数，所述整形参数为环形谐振器的腔长和/或耦合系数。
优选地，所述多级结构和多级光开光阵列均为片上集成部件。
优选地，所述多级结构中各宽谱整形单元的整形参数，是以各宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，通过多目标优化方法优化得到。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明基于光开关阵列技术来实现计算式光谱测量，无需分光，可动态选择不同的宽谱整形单元组合方式构建新的宽谱整形器件，仅需几个光开关即可构建多达上百个不同的宽谱整形器件，可有效提升系统信噪比和测量动态区间，同时由于总的宽谱整形单元数量和所需的光电探测器数量均大幅减少，系统的空间资源占用以及实现成本也大幅降低。
附图说明
图1为现有计算式光谱测量装置的结构原理示意图；
图2为本发明光谱测量装置一个具体实施例的结构原理示意图；
图3为基于环形谐振器的宽谱整形器件的结构示意图；
图4为两组上述宽谱整形器件的传输函数仿真结果，每组宽谱整形器包含8个环形谐振器；
图5为使用上述宽谱整形器件的本发明光谱测量装置一个实例。
具体实施方式
为了避免出现歧义，对本发明所使用的部分技术术语进行定义如下：本发明所使用的“多个”、“多级”中的“多”表示其数量为三或者三以上，所使用的“复数个”表示数量为二或二以上。
如图1所示，现有计算式光谱仪包括分路单元、M个宽带整形器件、M个光电探测器、信号处理单元；分路单元用于将输入光信号等分为M路，分出的M路光信号分别被M个具有不同传输函数的宽带整形器件处理，之后被M个光电探测器转换为电信号，信号处理单元对这M路电信号进行处理得到待测光信号的光谱信息。待测光信号被分为M路后一一对应地通过M个具有不同传输函数的宽带整形器件，其中M为正整数且远小于所需工作带宽和光谱精度的比值（记为N）；然后M个光电探测器对这M个宽带整形器件输出的光信号进行一一对应地光电探测，则转换为的电信号表达式为：
其中，
，
分别表示第1个～第M个光电探测器的检测结果；n为经过校准得到的归一化系数；
待测光信号的光谱，N为光谱仪带宽和精度的比值，可视为N个未知数；
根据以上分析可知，现有计算式光谱仪需要较多传输函数高度不同的宽带整形器件和相应的光电探测器，随着所要求测量精度的提高，这一数量也随之提高，构建测量系统所需的占用空间和制造成本较高；更重要的是，分光所导致的分光损耗会导致系统信噪比降低。
针对现有技术需要分光，会引入额外的分光损耗，导致系统信噪比差、测量动态区间小以及成本较高等问题，本发明的解决思路是以光开关阵列结合多个宽谱整形单元构建不同传输函数的宽谱整形器件，从而无需分光，采用单个探测器即可实现光谱重建。
本发明所提出的基于光开关阵列的光谱测量方法，具体如下：
将一组整形参数各不相同的宽谱整形单元设置为多级结构，多级结构的每一级均包含复数个所述宽谱整形单元；利用多级光开光阵列从所述多级结构的每一级中同时选通一个宽谱整形单元，使得所选通的多个宽谱整形单元级联组合为一个宽谱整形器件；通过调整多级光开光阵列的选通方式得到一系列输出函数各不相同的宽谱整形器件，并利用这一系列宽谱整形器件对待测光信号分别进行全局采样；根据所得到的一系列全局采样结果重建出待测光谱。
本发明所提出的基于光开关阵列的光谱测量装置，包括：
多级结构，由一组整形参数各不相同的宽谱整形单元构成，其每一级均包含复数个所述宽谱整形单元；
多级光开光阵列，与所述多级结构连接，可从所述多级结构的每一级中同时选通一个宽谱整形单元，使得所选通的多个宽谱整形单元级联组合为一个宽谱整形器件；
采样模块，用于通过调整多级光开光阵列的选通方式得到一系列输出函数各不相同的宽谱整形器件，并利用这一系列宽谱整形器件对待测光信号分别进行全局采样；
光谱重建模块，用于根据采样模块所得到的一系列全局采样结果重建出待测光谱。
所述多级结构的级数以及每一级所包含的宽谱整形单元数量可根据具体采用的宽谱整形器件结构灵活设置；为了使得组合出的单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性尽可能大且任意两个宽谱整形器件的传输函数的相关性尽可能小，以提高测量精度，优选地，所述多级结构的级数大于等于4，每一级均包含至少四个所述宽谱整形单元。
用来级联组合成宽谱整形器件的宽谱整形单元可采用环形谐振器、非对称马赫曾德尔干涉仪、随机布拉格光栅、光子晶体滤波器等，优选地，所述宽谱整形单元为n个级联的环形谐振器，n为大于等于1的整数，所述整形参数为环形谐振器的腔长和/或耦合系数。
所述多级结构和多级光开光阵列可采用独立器件组合的形式或者均采用片上集成的方式，优选地，所述多级结构和多级光开光阵列均为片上集成部件。
所述多级结构中各宽谱整形单元的整形参数可预先通过实验确定或者通过仿真优化的方式确定；优选地，所述多级结构中各宽谱整形单元的整形参数，是以各宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，通过多目标优化方法优化得到。
为了便于公众理解，下面通过具体实例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
图2显示了本发明光谱测量装置的一种具体结构，如图2所示，该装置包括由一组整形参数各不相同的宽谱整形单元所组成的多级结构，以及多级光开关阵列和一个4x1合束器、1个光电探测器；其中，多级结构的每一级均包含四个宽谱整形单元；如图2所示，本实施例中的多级光开光阵列由一系列2×2光开关构成，其与所述多级结构连接，可从所述多级结构的每一级中同时选通一个宽谱整形单元，使得所选通的多个宽谱整形单元级联组合为一个宽谱整形器件；多级结构之后依次连接4x1合束器（也可以替换为4×1光开关）、光电探测器。
如图2所示，待测光信号经多级结构和多级光开关阵列后，经由4x1合束器输入光电探测器，被转换为电信号。由于多级结构中每一级只选通其中一个宽谱整形单元，这一系列被选通的宽谱整形单元级联组成一个宽谱整形器件，可用于对待测光谱进行全局采样；通过主动路径扫描，即控制所述光开关阵列的选通状态变化，可改变多级宽谱整形单元的级联组合状态，从而形成一个新的宽谱整形器件，由于宽谱整形单元的整形参数各不相同，则形成的宽谱整形器件相互之间的传输函数也各不相同，从而满足了计算式光谱测量进行全局采样所需的条件，即可利用这些宽谱整形器件的全局采样结果重建出待测光信号的光谱；具体的光谱重建方法与现有采用分光的计算式光谱测量方案类似，为节省篇幅起见，此处不再赘述。由于该光谱测量装置在进行光谱全局采样时不需要进行分光，因此不会产生由于分光损耗导致的系统信噪比降低问题；并且该装置只需要使用一个光电探测器，一定程度上可以降低生产成本。
用来级联组合成宽谱整形器件的宽谱整形单元可采用环形谐振器、非对称马赫曾德尔干涉仪、随机布拉格光栅、光子晶体滤波器等。图3显示了其中一种方案，如图3所示，宽谱整形器件由一系列具有不同整形参数的环形谐振器级联而成，图中箭头所指为单个环形谐振器，所述整形参数为环形谐振器的腔长L和/或耦合系数Κ。用来级联组合成该宽谱整形器件的宽谱整形器件可以是一个环形谐振器，也可以是级联的两个或多个环形谐振器。图4显示了两个上述宽谱整形器件的传输函数仿真结果对比，每个宽谱整形器件包含8个具有不同整形参数的环形谐振器，从图中可看出，两个宽谱整形器件具有高度不同的传输函数。
图5显示了将图3所示宽谱整形器件方案与图2所示结构相结合所得到的一种光谱测量装置，其中的宽谱整形单元均由两个环形谐振器级联构成，各宽谱整形单元的整形参数互不相同。假设其中多级结构的级数为4，则通过改变多级光开关阵列的通断状态，则可构建出多达256个不同的宽谱整形器件。
在上述计算式光谱测量装置中，单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性越大且任意两个宽带光谱整形器件的传输函数的相关性越小，则测量精度越高，所需的宽谱整形器件数量（即M）越少。因此，可以各宽谱整形单元的整形参数作为待优化参数，以各宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，通过模拟退火算法、粒子群优化算法、遗传算法等多目标优化方法对待优化参数进行优化，从而可获得更高的光谱测量精度。其中，各宽谱整形器件相互之间的相关性可以用传输函数间的互相关系数来进行度量，单个宽谱整形器件传输函数在波长域的随机性则可以极点数量和/或自相关系数来进行度量。
Claims (10)
1.一种基于光开关阵列的光谱测量方法，其特征在于，将一组整形参数各不相同的宽谱整形单元设置为多级结构，多级结构的每一级均包含复数个所述宽谱整形单元；利用多级光开光阵列从所述多级结构的每一级中同时选通一个宽谱整形单元，使得所选通的多个宽谱整形单元级联组合为一个宽谱整形器件；通过调整多级光开光阵列的选通方式得到一系列输出函数各不相同的宽谱整形器件，并利用这一系列宽谱整形器件对待测光信号分别进行全局采样；根据所得到的一系列全局采样结果重建出待测光谱。
2.如权利要求1所述基于光开关阵列的光谱测量方法，其特征在于，所述多级结构的级数大于等于4，每一级均包含至少四个所述宽谱整形单元。
3.如权利要求1所述基于光开关阵列的光谱测量方法，其特征在于，所述宽谱整形单元为n个级联的环形谐振器，n为大于等于1的整数，所述整形参数为环形谐振器的腔长和/或耦合系数。
4.如权利要求1所述基于光开关阵列的光谱测量方法，其特征在于，所述多级结构和多级光开光阵列均为片上集成部件。
5.如权利要求1所述基于光开关阵列的光谱测量方法，其特征在于，所述多级结构中各宽谱整形单元的整形参数，是以各宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，通过多目标优化方法优化得到。
6.一种基于光开关阵列的光谱测量装置，其特征在于，包括：
多级结构，由一组整形参数各不相同的宽谱整形单元构成，其每一级均包含复数个所述宽谱整形单元；
多级光开光阵列，与所述多级结构连接，可从所述多级结构的每一级中同时选通一个宽谱整形单元，使得所选通的多个宽谱整形单元级联组合为一个宽谱整形器件；
采样模块，用于通过调整多级光开光阵列的选通方式得到一系列输出函数各不相同的宽谱整形器件，并利用这一系列宽谱整形器件对待测光信号分别进行全局采样；
光谱重建模块，用于根据采样模块所得到的一系列全局采样结果重建出待测光谱。
7.如权利要求6所述基于光开关阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述多级结构的级数大于等于4，每一级均包含至少四个所述宽谱整形单元。
8.如权利要求6所述基于光开关阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述宽谱整形单元为n个级联的环形谐振器，n为大于等于1的整数，所述整形参数为环形谐振器的腔长和/或耦合系数。
9.如权利要求6所述基于光开关阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述多级结构和多级光开光阵列均为片上集成部件。
10.如权利要求6所述基于光开关阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述多级结构中各宽谱整形单元的整形参数，是以各宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，通过多目标优化方法优化得到。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230731 Address after: 221000 West Side of Lianghekou Park, Third Ring North Road, Gulou District, Xuzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Xuzhou Guangyin Technology Development Co.,Ltd. Address before: No.29, Jiangjun Avenue, Jiangning District, Nanjing, Jiangsu Province, 210000 Patentee before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics |
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| TR01 | Transfer of patent right |